微控制器(MCU)在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，是汽車電子中最重要的芯片之一。從高端的預(yù)控制器，到最簡單的門窗控制，全部都要用到MCU。跟消費(fèi)類、工業(yè)類甚至軍品MCU相比，車規(guī)MCU具有以下特點(diǎn)：

1、高可靠性，對在室外環(huán)境下的EMC要求非常嚴(yán)苛;

2、高安全，尤其是在自動(dòng)輔助駕駛逐漸普及的今天，復(fù)雜電路的功能安全尤其重要;

3、零缺陷率，不能有錯(cuò)，十全十美，通過設(shè)計(jì)、管理、工藝等方面來達(dá)到這樣的目標(biāo);

4、批一致性，對工藝、材料穩(wěn)定性要求極高;

5、長期供貨，保證10-15年供貨期。

根據(jù)汽車產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)，并圍繞上述國際車企基本需求，車規(guī)芯片需滿足相關(guān)規(guī)范。包括設(shè)計(jì)階段應(yīng)遵守的對電子電器產(chǎn)品安全可靠的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，在2008年后也特別針對芯片提出了要求;在流片和封裝階段要遵循的AEC-Q001-004以及TS16949，不單適用于汽車零部件廠商，也對流片產(chǎn)業(yè)有同樣的要求;在認(rèn)證測試階段要遵循的AEC-Q100\Q104;成品分發(fā)后應(yīng)用校驗(yàn)的AEC100和其他標(biāo)準(zhǔn)要求模擬多種車內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行條件，如在極端外環(huán)境中進(jìn)行高低溫試驗(yàn)。

另外，我國相關(guān)部門還在加快可靠性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和執(zhí)行，以使得各方對于汽車芯片需求的認(rèn)識(shí)趨于統(tǒng)一，以免混淆。

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院副總工程師及研究員陳大為在日前舉辦的“2021靈動(dòng)MM32協(xié)作大會(huì)”上，介紹了大家關(guān)心的汽車領(lǐng)域MCU議題，包括車規(guī)集成電路標(biāo)準(zhǔn)要求以及車規(guī)MCU芯片的測試與認(rèn)證。作為一個(gè)智能化計(jì)算平臺(tái)將越來越廣泛地在汽車上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，因此國內(nèi)MCU廠商若要將產(chǎn)品制作到汽車平臺(tái)上，有必要提前計(jì)劃，根據(jù)汽車芯片需求創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)，制造，測試和供貨流程，唯有滿足以上車規(guī)，以確保在未來10年汽車電子大潮中成為合格車規(guī)級(jí)集成電路供應(yīng)商。

大名鼎鼎的AEC-Q系列標(biāo)準(zhǔn)

說到汽車電子，不得不提AEC，它全稱汽車電子協(xié)會(huì)(Automotive Electronics Council)，是1993年美國三大公司克萊斯勒、福特和通用發(fā)起建立的可靠、高質(zhì)量電子元器件標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，目的是制定可靠，優(yōu)質(zhì)的電子元器件通用標(biāo)準(zhǔn)。符合上述準(zhǔn)則的元器件可以應(yīng)用到汽車環(huán)境中最低要求而不需要附加元器件級(jí)鑒定試驗(yàn)，如人們普遍認(rèn)可的集成電路失效機(jī)理應(yīng)力試驗(yàn)條件AEC-Q100等。還有一些：

1、 AEC Q101 “基于失效機(jī)理的車用半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測試條件”;

2、 AEC Q102 “基于失效機(jī)理的車 用半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)力測試條件”;

3、 AEC Q103* “基于失效機(jī)理的車用 MEMS 壓力器件應(yīng)力測試條件”;

4、 AEC Q104 “基于失效機(jī)理的車用 MCM 器件應(yīng)力測試條件”;

5、 AEC Q200 “無源器件應(yīng)力測試條件”

AEC機(jī)構(gòu)的會(huì)員有技術(shù)會(huì)員和永久會(huì)員之分，技術(shù)會(huì)員通常為芯片企業(yè)而永久會(huì)員則通常為車機(jī)公司。(圖自：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，下同)

芯片工況環(huán)境決定其溫度等級(jí)，并所有AEC-Q100試驗(yàn)按此溫度條件進(jìn)行。陳大為介紹到，新版AEC-Q100最高工作溫度范圍(Level 0)是- 40℃～150℃，最低范圍(Level 3)是- 40℃～85℃，中間還有兩個(gè)級(jí)別分別是Level 1 ：工作溫度范圍 - 40℃～125℃(一般等級(jí))、Level 2 ：工作溫度范圍 - 40℃～105℃。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中沒有別的要求，主要是溫度不一樣。

車規(guī)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)階段的要求具體如下：

需要注意的是，AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)文本跟其他標(biāo)準(zhǔn)的文本一樣，遵循通用數(shù)據(jù)的采用。例如某國產(chǎn)MCU系列產(chǎn)品中，有一顆經(jīng)過了全部的AEC-Q100認(rèn)證，然后同系列別的產(chǎn)品只要材質(zhì)、工藝相似，但有些地方已經(jīng)做過拓展，“在此情況下，可采用結(jié)構(gòu)相似性原理對擴(kuò)展后的內(nèi)容再進(jìn)行部分測試，其他內(nèi)容可沿用原數(shù)據(jù)，不重復(fù)驗(yàn)證?！标惔鬄槿缡钦f。

其中對于無鉛工藝產(chǎn)品認(rèn)定，由于環(huán)境保護(hù)要求越來越嚴(yán)，電子零部件應(yīng)實(shí)現(xiàn)無鉛化將導(dǎo)致可靠性下降問題，因此當(dāng)前國家對軍品不存在無鉛化需求。陳大為解釋道，由于無鉛之后，會(huì)暴露一些其他的問題，所以AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中專門針對無鉛的內(nèi)容做了專門識(shí)別，廠商可以以此甄別方案是否會(huì)有可靠性問題。

AEC-Q100可靠性項(xiàng)目

AEC-Q100可靠性的項(xiàng)目包括：

加速環(huán)境應(yīng)力測試

1、預(yù)處理(PC)

2、有偏溫度或有偏高加速應(yīng)力試驗(yàn) (THB)(HAST)

3、高壓或無偏高加速應(yīng)力試驗(yàn)或無偏溫濕度(AC )(UHST)(TH)

4、 溫度循環(huán)(TC)

5、功率溫度循環(huán)(PTC)

6、高溫貯藏壽命 (HTSL)

加速生命周期模擬測試

1、 高溫工作壽命(HTOL)

2、早期壽命失效率(ELFR)

3、非易失性存儲(chǔ)器耐久性、數(shù)據(jù)保持性，工作壽命(EDR)

封裝組裝完整性測試

1、邦線剪切(WBS)

2、邦線拉力(WBP)

3、可焊性(SD)

4、 物理尺寸(PD)

5、錫球剪切(SBS)

6、引線完整性(LI)

芯片制造可靠性測試

1、電遷移 (EM)

2、電介質(zhì)擊穿(TDDB)

3、熱載流子注入效應(yīng)(HCL)

5、負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)

6、應(yīng)力遷移(SM)

電性驗(yàn)證測試

1、應(yīng)力測試和試驗(yàn)前后功能/ 參數(shù)(TEST)

2、靜電放電人體模型/ 機(jī)械模式(HBM/MM)

3、靜電放電帶電期間模式(CDM)

4、閂鎖效應(yīng)(LU)

5、電分配(ED)

6、故障等級(jí)(FG)

7、特性描述(CHAR)

8、熱電效應(yīng)引起閘極漏電(GL)

9、電磁兼容(EMC)

10、短路特性描述(SC)

11、軟誤差率(SER)

缺陷篩選測試分析

1、過程平均測試和試驗(yàn)(PAT)

2、統(tǒng)計(jì)式良率分析(SBA)

腔封裝完整性測試

1、機(jī)械沖擊(MS)

2、變頻振動(dòng)(VFV)

3、恒加速(CA)

4、粗/ 細(xì)檢漏測試和試驗(yàn)(GFL)

5、包裝跌落(DROP)

6、蓋板扭力測試和試驗(yàn)(LT)

7、芯片剪切試驗(yàn)(DS)

8、內(nèi)部水汽含量測試和試驗(yàn)(IWV)

其中上面標(biāo)注紅色的，可以根據(jù)不同器件特點(diǎn)，做不同的刪減。根據(jù)DUT，至少有28項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是必須要做的，否則不能聲稱你的物料通過了AEC-Q100認(rèn)證。

上表為特定分組，標(biāo)明樣品組別，數(shù)量要求。樣品批數(shù)需從三個(gè)連續(xù)的批中選取，每批選取77顆樣品。所有的項(xiàng)目加起來需要大量樣品，一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就需要近2500顆左右，并且這2500顆的料分別屬于不同批次。“消費(fèi)類用芯片就不存在這種需求了，很顯然制作車規(guī)芯片的初期費(fèi)用相當(dāng)昂貴?！标惔鬄槿缡钦f。

車規(guī)MCU芯片測試與認(rèn)證

具體到車規(guī)MCU芯片測試與認(rèn)證，有以下幾個(gè)方面的考慮：

1、測試策略，需要全方位、無死角、多維度地對MCU進(jìn)行徹底、嚴(yán)格細(xì)致的分析。包括基本電參數(shù)的測試，基本功能的驗(yàn)證，可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際使用條件的驗(yàn)證以及供貨保障等。尤其在供貨保障方面，汽車需要15年供貨期，而對于普通芯片不能一粒材料連續(xù)生產(chǎn)15年，因此不是繼續(xù)生產(chǎn)就不行，或者是一次性生產(chǎn)完再搞庫存，在此又出現(xiàn)了一個(gè)倉儲(chǔ)問題。

2、基本電氣參數(shù)設(shè)計(jì)，包括靜態(tài)，動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)三溫ATE試驗(yàn)等，應(yīng)參考幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品平均測試指南AEC-Q001主要針對晶圓階段PPAT內(nèi)容進(jìn)行研究；產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)分析指南AEC-Q002中，可以看到某一參數(shù)特性化即曲線變化情況，以往國內(nèi)廠商對此都有較多研究；AEC-Q003、IC電氣性能特性化在國外引進(jìn)MCU產(chǎn)品中，除給出參數(shù)表外，還給出以上變化曲線，對汽車車機(jī)設(shè)計(jì)師很有借鑒意義，例如在各種溫度(Temp)、電壓(Vcc)、頻率(Freq)下參數(shù)的變化;AEC-Q004，零缺陷指導(dǎo)原則，告訴你生產(chǎn)過程當(dāng)中怎么做才能零缺陷。這幾項(xiàng)測試參數(shù)是根據(jù)《產(chǎn)品手冊》中的關(guān)鍵指標(biāo) + 特定用戶要求制定的，測試環(huán)境溫度分別是- 40℃ 、25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

上圖為上文提到PPAT中的臨近原則，SBL 根據(jù)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)故障率檢查料倉分布，包括電子特征分布(Electrical Signature distribution)、失效模式分布(Failure mode distribution)。

3、基本功能驗(yàn)證、MCU為復(fù)雜電路、芯片中具有微程序控制任務(wù)的產(chǎn)品叫做復(fù)雜電路。復(fù)雜電路使用ATE進(jìn)行靜態(tài)/動(dòng)態(tài)參數(shù)測試時(shí)，其中包含了功能的矢量，因此即使基礎(chǔ)測試通過，復(fù)雜電路并不能被視為OK，由于功能向量的要求很高，ATE不能做到這一點(diǎn)，存儲(chǔ)深度也不能支持復(fù)雜電路，“任何時(shí)期的ATE都不能支持復(fù)雜電路的發(fā)展要求，簡單ATE的測試也不能判斷復(fù)雜電路的完整性。”陳大為說到，“對于復(fù)雜電路一定要進(jìn)行功能驗(yàn)證，比如說復(fù)雜電路有很多高速接口、協(xié)議完整性跟電器物理參數(shù)靠ATE測試就沒戲，必須要做EVB(板極)測試做功能演算，或是用ATE+臺(tái)式儀器。”測試溫度環(huán)境：- 40℃ 、 25℃ 、85℃( 105℃ 、 125℃ 、 150℃ )。

4、MCU 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。采用AEC-Q100和AEC-Q104標(biāo)準(zhǔn)，主要有加速環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，加速生命周期仿真試驗(yàn)，封裝裝配完整性試驗(yàn)，芯片制造的可靠性試驗(yàn)，電性驗(yàn)證試驗(yàn)以及缺陷篩選試驗(yàn)分析等。

5、實(shí)際使用工況環(huán)境驗(yàn)證包括對PCB進(jìn)行不同頻率，電壓，溫度和高覆蓋率的測試向量，EMC等測試。汽車中的測試項(xiàng)主要有電壓，溫度，EMC等，最終實(shí)現(xiàn)整車路測。車規(guī)的實(shí)際應(yīng)用工況驗(yàn)證，跟過去的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不太一樣。

6、供貨保障，要求批一致性及15年供貨保障，要求制程，設(shè)計(jì)，技術(shù)，材料及流程均不發(fā)生變化，批周期性檢驗(yàn)保證一致性。為了保證這么長的供應(yīng)時(shí)間，通常采用2種辦法，即重新流片和批量生產(chǎn)后真空包封并在氮?dú)夤駜?nèi)貯存。

EMC是車規(guī)重中之重，

但對于芯片沒有判別標(biāo)準(zhǔn)

在車規(guī) MCU 芯片測試與認(rèn)證中，陳大為重點(diǎn)介紹了電磁兼容(EMC)，這對于整車、整機(jī)或部件的電子兼容考慮得比較多。到目前為止，IEC標(biāo)準(zhǔn)體系包括：電磁發(fā)射(IEC61967系列)、電磁抗擾度(IEC61967系列)、脈沖抗擾度(IEC62215系列)、CAN收發(fā)器EMC評(píng)估(IEC62228系列)、集成電路電磁兼容建模(IEC62433系列)等，可以為國內(nèi)MCU提供典型測試標(biāo)準(zhǔn)。

對于MCU，典型的6種測試方法包括：

電磁(EMI)發(fā)射：TEM小室法，1Ω/150Ω直接耦合法，表面掃描法;法拉第籠法，磁場探頭法，IC帶狀線法;

電磁(EMS)抗擾度：TEM小室法，直接射頻功率注入法，大電流注入法;法拉第籠法，IC帶狀線法，表面掃描法;

脈沖抗擾度：同步瞬態(tài)注入法和非同步瞬態(tài)注入法，這兩者注入的脈沖波形有ESD、EFT和浪涌。

舉例而言，TEM小室法就是將芯片置于10×10硬紙板中，一側(cè)為屏蔽，另一側(cè)放置片，片工作時(shí)外圍電路位于另一側(cè)，將該芯片倒置扣入小型方艙當(dāng)中，添加電磁信號(hào)時(shí)，將產(chǎn)生平行電磁波，該平行電磁波分布均勻且能作用于樣品。輻射發(fā)射為倒裝，工作時(shí)，默認(rèn)情況下，高片芯片向外部發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)與腔體內(nèi)產(chǎn)生共振，該共振加載于一頭，另一頭可預(yù)置于頻譜儀上。

隨后，用30K到1G甚至是更高的頻率來掃描腔體發(fā)生額外的電磁干擾，這些電磁干擾就來自于這一顆MCU。如上圖所示，MCU正常工作后，前面干擾信號(hào)比較低，一旦電磁信號(hào)超過30兆后，干擾信號(hào)就上去了。

輻射發(fā)射另一種方法為表面掃描法。芯片工作于下方，其上使用小型探頭進(jìn)行掃描，從而可以掃到樣本各區(qū)域電磁輻射，然后與樣本自身設(shè)計(jì)圖相對應(yīng)，了解哪個(gè)部位向外輻射更大。

隨后，陳大為還介紹了采用1歐姆/150歐姆直接耦合法的傳導(dǎo)發(fā)射測試、用TEM小室法和大電流注入法測試輻射抗擾度，以及直接射頻功率注入發(fā)測試傳導(dǎo)抗擾度。小結(jié)下來，MCU EMC的測試方法可以按照國際、國內(nèi)的EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。但是最為重要的一點(diǎn)就是整車，醫(yī)療和信息處理設(shè)備都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即某一頻段內(nèi)電磁兼容值大于多少才算合格；且芯片應(yīng)用過于廣泛，且屬于中間過程，并不能直接面對用戶，加之其不斷迭代，因此目前國際上尚無是否達(dá)標(biāo)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

陳大為舉例說到：“上一代芯片采用某一個(gè)方法，對電磁信號(hào)評(píng)估得到結(jié)果A，下一代要進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)之后得到了結(jié)果B。結(jié)果B一定要好于結(jié)果A，這說明芯片改進(jìn)成功了——至少在EMC這一方面?！?/p>

芯片電磁兼容改進(jìn)工作十分冗長、耗時(shí)、費(fèi)錢，由于其成本在持續(xù)迭代，而在迭代過程中又存在著持續(xù)流片現(xiàn)象，這一成本將十分高昂。目前，各大車規(guī)MCU公司都在對使用電磁兼容極限值進(jìn)行研究，車輛芯片能否滿足車輛使用要求，還需要對車輛現(xiàn)場工況環(huán)境進(jìn)行EMI采集，在電磁兼容方面，這些都是十分重要和至關(guān)重要的基礎(chǔ)工作。

要做合車規(guī)芯片，先把車規(guī)放心里

最后，陳大為給出了關(guān)于國產(chǎn)MCU通過車規(guī)認(rèn)證的思考和建議。首先是芯片可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，要遵循ISO26262標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上設(shè)計(jì)出高可靠的MCU;流片、封測上，汽車零部件廠要滿足TS16949的要求，流片產(chǎn)線也不例外;最后就是標(biāo)準(zhǔn)問題了，到目前為止，我國并沒有屬于自己的汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)——“下一步我們將成立標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)來推進(jìn)這一領(lǐng)域的研究，其中包括集成電路，功率模塊和傳感器等汽車的標(biāo)準(zhǔn)工作組?！?/p>

下圖是金鑒實(shí)驗(yàn)室可靠性中心的車規(guī)MCU測試現(xiàn)場環(huán)境

最后，對于AEC-Q100結(jié)論，陳大為認(rèn)為國內(nèi)想從事車規(guī)芯片生產(chǎn)的公司應(yīng)該先好好了解這一準(zhǔn)則。首先不必請第三方進(jìn)行檢測，本身在條件允許的情況下就可以進(jìn)行檢測，但是必須清楚AEC-Q100檢測數(shù)據(jù)旨在證明芯片是否達(dá)標(biāo)，并無任何機(jī)密可言，更不必作假。測試總共7個(gè)大類41項(xiàng)項(xiàng)目，其中幾項(xiàng)是可選測的。同系列產(chǎn)品可以用通用數(shù)據(jù)來提高測試效率，可靠性前后要進(jìn)行三溫電性測試，每年或每季還要做批一致性核測。另外，有一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的判據(jù)，要和用戶(車機(jī)、Tier 1廠商)一起討論決定是否合格，如EMC。